专利名称：超声波控制定向凝固液固界面的装置的制作方法
技术领域：
超声波控制定向凝固液固界面的装置[0001]技术领域[0002]本实用新型涉及定向凝固材料制备领域，具体是一种超声波控制定向凝固液固界面的装置。[0003]背景技术[0004]定向凝固是指在凝固过程中应用技术手段，在液固界面处建立起特定方向的温度梯度，从而使熔体沿着与热流相反的方向凝固，最终得到定向组织、甚至单晶。定向凝固技术消除了在结晶过程中生成的横向晶界，提高了合金的高温力学性能。但是，单晶的定向凝固过程中易出现偏析、杂晶和雀斑等缺陷，这些缺陷大大降低了铸件的力学性能和产品合格率，增加能源消耗及制造成本。[0005]铸件的凝固组织决定其力学等性能，凝固组织及缺陷与凝固过程中的液固界面形态密切相关。上凸或下凹的液固界面会使雀斑形成几率增大，加大枝晶干偏离铸件几何中心的程度。当合金以平界面方式凝固时，熔体热量从垂直于固液平界面的方向导出，可以减小或消除上述缺陷。[0006]本实用新型利用超声波在液固界面附近处理合金熔体，使固液界面前方小尺度范围内径向溶质和温度分布均勻，减小或消除径向温度和浓度梯度，从而获得平直液固界面， 达到消除雀斑、偏析等缺陷，提高铸件力学性能的目的。实用新型内容[0007]本实用新型的目的是提供一种超声波控制定向凝固固液界面的装置，在定向凝固过程中控制液固界面，避免凝固过程出现杂晶、雀斑等缺陷。[0008]本实用新型的技术构思是在结晶器外围、液固界面附近安装一组超声波发射探头，探头可绕坩埚旋转并互成一定角度。超声波以一定功率和频率传入合金熔体，超声在合金熔体中有限振幅的衰减使熔体内形成一定的声压梯度，从而形成一个流体的喷流，即声流。当声流的速度达到或超过热对流和溶质对流速度时，液相区域内溶质和温度进行重新分布，在一定大小的频率和功率下能够使凝固界面前沿温度和浓度分布均勻，从而实现平界面生长。[0009]为达到在不影响纵向温度梯度和不产生超声空化的条件下，消除径向温差和浓度差，采取以下方法[0010](1)通过在坩埚外围安装一组超声波发射探头，将超声波导入合金熔体并产生超声声流，实现超声搅拌的目的。[0011](2)通过调节超声波功率和频率大小，实现对超声波声流搅拌强度的控制。[0012](3)通过调节超声波功率和频率大小，控制超声波在熔体中的声压幅值，实现不发生超声空化的控制。[0013](4)旋转坩埚外围的超声波发射探头，控制超声波均勻搅拌液相，使液固界面前沿温度场和浓度场更加均勻。[0014](5)调节超声波发射探头的频率，使各个探头在不同频率下搅拌液相，达到使界面前沿温度场耦合更加均勻的目的。[0015]根据以上构思，本实用新型采用下述技术方案[0016]一种使用超声波控制定向凝固液固界面的装置，包括一个筒形电阻加热体，外围包裹着一个保温层，其特征在于有一个隔热层结构体位于所述保温层下面，刚玉坩埚滑配穿过所述隔热层结构体的中心孔后，伸入盛有液态(ia-In冷却剂的冷却缸体中，刚玉坩埚底部与一个抽拉系统相连并置于冷却缸体之中，一个水冷系统套在所述冷却缸体外面；有多个超声波发射探头周向均勻安装在所述隔热层结构体之中，与超声信号源相连，而探头对准刚玉坩埚内液相试样与固相试样之间的界面。[0017]本实用新型与现有技术相比较，具有以下显著的实质性特点和优点[0018]本实用新型是在结晶器外围液固界面附近安装一组以一定速度旋转、互成一定角度的超声波发射探头。发射的超声波在液相中传播形成具有搅拌作用的声流，控制超声声流的强度，使液固界面径向温度和溶质重新分布均勻，确保凝固材料以平界面方式生长，避免杂晶、雀斑等缺陷的产生，提高定向凝固铸件力学性能及生产效率。
[0019]图1是本实用新型控制液固界面的定向凝固装置结构示意图。[0020]图2是图1核心部分结构示意图。 图3是超声波探头安装方式示意图。
具体实施方式
[0022]本实用新型优选实施方式如下[0023]实施例一[0024]参见图1和图2，本实用新型控制液固界面定向凝固的装置，包括一个筒形电阻加热体(1)，外围包裹着一个保温层(2)，其特征在于有一个隔热层结构体(5)位于所述保温层(2)下面，刚玉坩埚(7)滑配穿过所述隔热层结构体(5)的中心孔后，伸入盛有液态Ga-In 冷却剂(6)的冷却缸体(10)中，刚玉坩埚(7)底部与一个抽拉系统(12)相连并置于冷却缸体(10)之中，一个水冷系统(9)套在所述冷却缸体(10)外面；有多个超声波发射探头(8) 周向均勻安装在所述隔热层结构体(5)之中，与超声信号源(11)相连，而探头对准刚玉坩埚(7 )内液相试样(3 )与固相试样(4 )之间的界面。[0025]实施例二 [0026]本实施例二与实施例一基本相同，特别之处在于，所述多个超声波发射探头(8 )安装互成设定角度。超声信号源(11)采用可调超声波发射频率和功率的超声信号源，使各个超声探头在不同频率和功率下工作。超声波发射探头(8)与所述隔热层结构体(5)转动配合，使其可绕坩埚外围勻速或变速旋转。[0027]实施例三[0028]参见图1、图2和图3，本超声波控制定向凝固液固界面的装置，包括电阻加热体(1)、保温层(2)、液相试样(3)、固相试样(4)、隔热层(5)、液态( - 冷却剂(6)、刚玉坩埚(7)、超声波发射探头(8)、水冷系统(9)、冷却缸体(10)、超声信号源(11)和抽拉系统 (12)。试样为铝合金，其长度150 mm，直径12 mm。[0029]电阻加热体(1)高度为200 mm，坩埚外径14 mm，刚玉坩埚(7)与电阻加热体(1) 间隔为2 mm，超声波发射探头(8)位于隔热层(5)之中，与刚玉坩埚(7)间隔1.5 mm。[0030]超声波发射探头由三个互成120°的探头组成，为达到超声波均勻搅拌熔体，及更加有效的减小径向温差和浓度差的目的，三个探头施以不同的工作频率，同时以一定速度绕结晶器进行旋转搅拌熔体。为使超声波在熔体中产生的声流强度足够大，以克服铝合金熔体中的对流，同时又防止空化现象发生，选择恰当的超声输出功率和工作频率，使超声波经隔热层和刚玉坩埚后在铝液中产生的声压幅值小于1 MPa，同时产生10_4 10_2 m/s的声流。[0031]组装时，隔热层(5)位于保温层(2)之下，刚玉坩埚(7)穿过隔热层(5)中的孔，与抽拉系统(12)相连；刚玉坩埚(7)穿过由液态Ga-h冷却剂(6)组成的冷却缸体(10)，刚玉坩埚(7)底部与抽拉系统(12)相连并置于冷却缸体(10)之中，水冷系统(9)套在冷却缸体(10)外面。超声波发射探头(8)位于隔热层(5)之中，与超声信号源(11)相连。超声波在液相中有限振幅的衰减在熔体中产生声流，声流的发生使凝固液固界面前端温度和浓度由于强迫流动而重新分布，调节超声波功率和频率，使径向温度和浓度重新分布均勻，形成平直的液固界面，减少或消除偏析等缺陷，使试样在较高的拉速下也能实现平界面的生长， 提高铸件力学性能及生产效率。
权利要求1.一种超声波控制定向凝固液固界面的装置，包括一个筒形电阻加热体(1)，外围包裹着一个保温层(2)，其特征在于有一个隔热层结构体(5)位于所述保温层(2)下面，刚玉坩埚(7)滑配穿过所述隔热层结构体(5)的中心孔后，伸入盛有液态(ia-In冷却剂(6)的冷却缸体(10)中，刚玉坩埚(7)底部与一个抽拉系统(12)相连并置于冷却缸体(10)之中，一个水冷系统(9)套在所述冷却缸体(10)外面；有多个超声波发射探头(8)周向均勻安装在所述隔热层结构体(5)之中，与超声信号源(11)相连，而探头对准刚玉坩埚(7)内液相试样 (3)与固相试样(4)之间的界面。
2.根据权利要求1所述超声波控制定向凝固液固界面的装置，其特征在于所述多个超声波发射探头(8 )安装互成设定角度。
3.根据权利要求1或2所述超声波控制定向凝固液固界面的装置，其特征在于所述超声信号源(11)采用可调超声波发射频率和功率的超声信号源，使各个超声探头在不同频率和功率下工作。
4.根据权利要求1或2所述超声波控制定向凝固液固界面的装置，其特征在于所述超声波发射探头(8)与所述隔热层结构体(5)转动配合，使其可绕坩埚外围勻速或变速旋转。
专利摘要本实用新型涉及一种超声波控制定向凝固液固界面的装置。本装置是在结晶器外围液固界面附近安装一组以一定速度旋转、互成一定角度的超声波发射探头。发射的超声波在液相中传播形成具有搅拌作用的声流，控制超声声流的强度，使液固界面径向温度和溶质重新分布均匀，确保凝固材料以平界面方式生长，避免杂晶、雀斑等缺陷的产生，提高定向凝固铸件力学性能及生产效率。
文档编号B22D27/20GK202270958SQ201120383618
公开日2012年6月13日 申请日期2011年10月11日 优先权日2011年10月11日
发明者任忠鸣, 任维丽, 樊亚夫, 程文武, 钟云波, 鲁亮 申请人:上海大学